(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮した冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮した冷媒を減圧・膨張させる減圧・膨張手段と、減圧・膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、凝縮器出口側冷媒と蒸発器出口側冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器とを備えた冷凍サイクルにおいて、冷媒としてＲ１２３４ｙｆを使用するとともに、前記内部熱交換器による熱交換量を、予めシミュレーションまたは試験により求めた所定値以上とし、該内部熱交換器による熱交換量の所定値の冷凍サイクル全体としての冷凍能力に対する能力割合が７％以上に設定されていることを特徴とする冷凍サイクル。
【請求項２】
前記内部熱交換器による熱交換量の所定値が、同一条件下で、冷媒にＲ１２３４ｙｆを使用した場合の冷凍サイクル全体としての冷凍能力が、冷媒にＲ１３４ａを使用した場合の冷凍サイクル全体としての冷凍能力以上となるように設定されている、請求項１に記載の冷凍サイクル。
【請求項３】
前記内部熱交換器による熱交換量の所定値以上への制御が、前記減圧・膨張手段の開度を前記内部熱交換器の圧縮機側への出口側冷媒の過熱度に応じて制御することにより行われる、請求項１または２に記載の冷凍サイクル。
【請求項４】
車両用空調装置に用いられる、請求項１〜３のいずれかに記載の冷凍サイクル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍サイクルに関し、とくに、新しい冷媒を用いる場合に高い冷凍能力をもって運転可能な冷凍サイクルに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば車両用空調装置等に用いられる蒸気圧縮式冷凍サイクルとして、図１に示すような基本構成を有するものが知られている。図１において、冷凍サイクル１は、冷媒を圧縮する圧縮機２と、圧縮した冷媒を凝縮する凝縮器３と、凝縮した冷媒を減圧・膨張させる減圧・膨張手段としての膨張弁４と、減圧・膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器５と、凝縮器出口側冷媒と蒸発器出口側冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器６とを備えており、この冷凍サイクル１中を冷媒がその状態を変化させながら矢印の方向に循環される。このように冷凍サイクル１中に内部熱交換器６を設けると、一般的に冷凍能力を向上させることが可能であることが知られている。ところが、現状の代表的な冷媒であるＲ１３４ａを使用する場合には、内部熱交換器６による効果が比較的低いため、現実には殆ど用いられていないのが実情である。
【０００３】
上記の如く、現状の代表的な冷媒としてＲ１３４ａを挙げることができるが、地球温暖化係数（ＧＷＰ）等のさらなる改善を目指して、新冷媒の研究、開発が行われている（例えば、非特許文献１）。このような改善を目指した新冷媒として、最近、Ｒ１２３４ｙｆが公表され、例えば、車両用空調装置等に用いられる冷凍サイクルへの適用についても、試験、研究を行うことが可能な状況となってきた。
【非特許文献１】冷凍２００８年３月号第８３巻第９６５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、新冷媒Ｒ１２３４ｙｆを単に現行の冷凍サイクルにそのまま適用した場合、現行のＲ１３４ａを用いた冷凍サイクルに比べ、冷凍能力、成績係数（ＣＯＰ）ともに低くなる可能性が高い。また、その場合、冷凍能力を改善するためには、上述のような内部熱交換器６を用いることが有効であると考えられるものの、その効果の度合については明らかにされていない。
【０００５】
そこで本発明の課題は、上記のような新冷媒の出現に着目し、とくに使用冷媒を特定の新冷媒Ｒ１２３４ｙｆに変更した場合に、従来のＲ１３４ａを用いた冷凍サイクルと同等以上の高い冷凍能力をもって運転可能な冷凍サイクルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る冷凍サイクルは、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮した冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮した冷媒を減圧・膨張させる減圧・膨張手段と、減圧・膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、凝縮器出口側冷媒と蒸発器出口側冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器とを備えた冷凍サイクルにおいて、冷媒としてＲ１２３４ｙｆを使用するとともに、前記内部熱交換器による熱交換量を、予めシミュレーションまたは試験により求めた所定値以上とし、該内部熱交換器による熱交換量の所定値の冷凍サイクル全体としての冷凍能力に対する能力割合が７％以上に設定されていることを特徴とするものからなる。
【０００７】
図２に、図１に示したのと同様の基本構成を備えた冷凍サイクルにおいて、同一の計算条件（凝縮温度、蒸発温度、過熱度、過冷却度など）における、内部熱交換器未使用の場合の現行冷媒Ｒ１３４ａを使用した場合と、内部熱交換器使用の場合の新冷媒Ｒ１２３４ｙｆを使用した場合の冷凍能力の計算結果を比較し、この新冷媒Ｒ１２３４ｙｆを使用した場合には内部熱交換器を使用することにより、どのように冷凍能力の向上をはかれるかを示している。図２の横軸は、内部熱交換器の熱交換量（内部熱交換器の能力）を示しており、縦軸は、冷凍サイクル全体としての冷凍能力を示している。内部熱交換器未使用の場合の現行冷媒Ｒ１３４ａの場合（内部熱交換器未使用であるので、内部熱交換器の熱交換量に対しては一定の冷凍能力として表示されている）に比べ、Ｒ１３４ａとは特性の異なるＲ１２３４ｙｆを使用する場合には、内部熱交換器設置により図２に示すように冷凍能力が変化する。つまり、内部熱交換器による熱交換量として、ある値以上、つまり、図２に示した比較特性図では０．７ｋＷ以上得られれば（０．７ｋＷ以上の領域に入れば）、この新冷媒Ｒ１２３４ｙｆ使用の場合において、内部熱交換器設置による冷凍能力向上効果が確実に得られることが分かる。しかし、内部熱交換器による熱交換量がある値よりも小さい場合には、図２に示した比較特性図では０．７ｋＷよりも小さい場合には、Ｒ１３４ａの場合よりもＲ１２３４ｙｆの場合の方が冷凍能力は低くなり、Ｒ１３４ａの場合に比べて内部熱交換器設置の効果が得られないことが分かる。したがって、内部熱交換器による熱交換量をある値（つまり、所定値）以上とすることによって初めて、Ｒ１２３４ｙｆを使用する場合においてＲ１３４ａの場合と同等以上の冷凍能力が得られ、実際に冷凍能力を向上できるようになることが分かる。本発明は、この技術思想に基づくものであり、冷媒としてＲ１２３４ｙｆを使用する場合に、内部熱交換器による熱交換量を、予めシミュレーションまたは試験により求めた所定値以上とすることを特徴とするものである。つまり、図２におけるＲ１３４ａの場合の特性線とＲ１２３４ｙｆの場合の特性線との交点の右側領域（ハッチングで示した領域）を用いる。換言すれば、上記内部熱交換器による熱交換量の所定値が、同一条件下で、冷媒にＲ１２３４ｙｆを使用した場合の冷凍サイクル全体としての冷凍能力が、冷媒にＲ１３４ａを使用した場合の冷凍サイクル全体としての冷凍能力以上となるように設定される。
【０００８】
上記のような内部熱交換器による熱交換量の所定値以上への制御は、具体的には、例えば、上記減圧・膨張手段の開度を上記内部熱交換器の圧縮機側への出口側冷媒の過熱度に応じて制御することにより行うことが可能である。内部熱交換器の出口側冷媒の過熱度に応じて減圧・膨張手段（膨張弁）の開度を適切に制御することにより、上述の如く、冷凍サイクル全体の冷凍能力としてＲ１３４ａを使用した場合の冷凍能力以上の冷凍能力が得られるようになる。
【０００９】
このような本発明に係る冷凍サイクルは、基本的には新冷媒Ｒ１２３４ｙｆを使用しようとするあらゆる冷凍サイクルに適用可能であるが、とくに効率の良い運転が長期間にわたって安定して求められる車両用空調装置に用いられる冷凍サイクルに好適である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る冷凍サイクルによれば、使用冷媒を新冷媒であるＲ１２３４ｙｆに変更した場合に、Ｒ１３４ａを使用した場合と同等以上の高い冷凍能力を実現でき、併せて新冷媒Ｒ１２３４ｙｆ自体が有する優れた地球温暖化係数（ＧＷＰ）等の改善特性を発揮させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明について、望ましい実施の形態とともに図面を参照しながら説明する。  本発明に係る冷凍サイクルの配設機器の基本構成としては、図１に示したものと同等のものでよい。図１においては、前述したように、冷凍サイクル１は、冷媒を圧縮する圧縮機２と、圧縮した冷媒を凝縮する凝縮器３と、凝縮した冷媒を減圧・膨張させる減圧・膨張手段としての膨張弁４と、減圧・膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器５と、凝縮器出口側冷媒と蒸発器出口側冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器６とを備えている。
【００１２】
また、前述の如く、本発明では、基本的には図２に示したＲ１３４ａの場合の特性線とＲ１２３４ｙｆの場合の特性線との交点の右側領域（ハッチングで示した領域）を用いる。つまり、この領域では、Ｒ１２３４ｙｆを使用した場合に、内部熱交換器を備えることによって、Ｒ１３４ａの場合よりも冷凍能力を向上できる。そこで、上記図２における、Ｒ１３４ａの場合の特性線とＲ１２３４ｙｆの場合の特性線との交点の内部熱交換器熱交換量条件において、他の条件、例えば冷媒の凝縮温度を変化させた場合、冷凍サイクル全体の冷凍能力に対する内部熱交換器による能力向上効果（内部熱交換器の能力割合）がどのようになるかを表したのが、図３の特性Ａである。そして、この特性Ａに対し、内部熱交換器の効率を１００％と仮定した場合の、凝縮温度に対する冷凍サイクル全体の冷凍能力に対する内部熱交換器の能力割合の関係を示したのが、図３の特性Ｂである。すなわち、この特性曲線ＡとＢとの間に内部熱交換器の能力があれば、Ｒ１３４ａを使用した場合と同等以上の冷凍能力向上効果が得られることになり、実際には内部熱交換器の効率は１００％未満であるから、実際の設定、あるいは制御領域はこれら特性曲線ＡとＢとの間に位置することになる。
【００１３】
上記図３に示した計算結果における特性曲線ＡとＢとの交点は、冷凍能力に対する内部熱交換器の能力割合が６．６％の箇所に位置しているので、該能力割合が７％以上であれば、図３に示した関係特性からは、確実に、内部熱交換器により冷凍能力向上効果が得られることになる。能力割合の上限値はとくに限定しないが、図３に示した計算結果からは、３０％程度までは確実に冷凍能力向上効果が得られることを確認している。
【００１４】
上記のようなＲ１３４ａの場合とＲ１２３４ｙｆの場合の、ある条件下における計算結果の一例を表１に示す。計算の前提条件は、以下の通りである。
・蒸発温度：０ｄｅｇ
・凝縮温度：５０ｄｅｇ
・蒸発器出口過熱度：５ｄｅｇ
・凝縮器出口過冷却度：５ｄｅｇ
・熱交換器・回路圧損：無しと仮定
・圧縮機効率：１００％と仮定
【００１５】
【表１】
0005180680.tif 000002
【００１６】
Ｒ１２３４ｙｆの場合、内部熱交換器の熱交換量を上げていくことで、表１におけるとくに太線で囲んだ部分に示すように、単位体積当たりの冷凍能力はＲ１３４ａと同等以上にできることが分かる。したがって、圧縮機の増速などが必要なくなる。また、圧縮機吸入冷媒密度が小さくなるため、冷媒循環量が減少し、圧力損失を低減できる。また、圧縮機吸入側冷媒過熱度が大きくなり、圧縮機吐出温度がＲ１３４ａよりも高くなり、効率の向上をはかることができる。さらに、圧縮機動力（消費動力）の増加は比較的小さいため、成績係数（ＣＯＰ）もＲ１３４ａと同等以上にできる。
【００１７】
また、モリエル線図上において、Ｒ１３４ａとＲ１２３４ｙｆを比較した結果の例を図４〜図６に示す。図４〜図６は、Ｒ１２３４ｙｆの場合の内部熱交換器の温度効率が異なる場合をそれぞれ示している。各図における条件は以下の通りである。
【００１８】
図４に示したモリエル線図：
・蒸発温度：０ｄｅｇ
・凝縮温度：５０ｄｅｇ
・蒸発器出口過熱度：５ｄｅｇ
・凝縮器出口過冷却度：５ｄｅｇ
・Ｒ１３４ａについては内部熱交換器無しの特性
・Ｒ１２３４ｙｆについては、内部熱交換器有りでその温度効率が７５．３％
【００１９】
図５に示したモリエル線図：
・蒸発温度：０ｄｅｇ
・凝縮温度：５０ｄｅｇ
・蒸発器出口過熱度：５ｄｅｇ
・凝縮器出口過冷却度：５ｄｅｇ
・Ｒ１３４ａについては内部熱交換器無しの特性
・Ｒ１２３４ｙｆについては、内部熱交換器有りでその温度効率が９３．０％
【００２０】
図６に示したモリエル線図：
・蒸発温度：０ｄｅｇ
・凝縮温度：５０ｄｅｇ
・蒸発器出口過熱度：５ｄｅｇ
・凝縮器出口過冷却度：５ｄｅｇ
・Ｒ１３４ａについては内部熱交換器無しの特性
・Ｒ１２３４ｙｆについては、内部熱交換器有りでその温度効率が９９．９％
【００２１】
なお、上記における各例は、計算によるシミュレーション結果として示してあるが、これとは別に実際の試験によって求めて前述の所定値、あるいはシミュレーション結果と試験結果の両方を参照して定めた前述の所定値を用いることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明に係る冷凍サイクルは、Ｒ１２３４ｙｆの使用を予定しているあらゆる冷凍サイクルに適用可能であり、とくに車両用空調装置に用いられる冷凍サイクルとして好適なものである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明で対象としている冷凍サイクルの基本機器配置を示す概略構成図である。
【図２】冷媒Ｒ１２３４ｙｆとＲ１３４ａの特性を比較した内部熱交換器熱交換量と冷凍能力との関係図である。
【図３】冷媒Ｒ１２３４ｙｆを使用する場合の凝縮温度と内部熱交換器能力割合との関係図である。
【図４】冷媒Ｒ１２３４ｙｆとＲ１３４ａのある条件時の冷凍サイクルの運転状態の一例を示すモリエル線図である。
【図５】冷媒Ｒ１２３４ｙｆとＲ１３４ａの別の条件時の冷凍サイクルの運転状態の一例を示すモリエル線図である。
【図６】冷媒Ｒ１２３４ｙｆとＲ１３４ａのさらに別の条件時の冷凍サイクルの運転状態の一例を示すモリエル線図である。
【符号の説明】
【００２４】
１  冷凍サイクル
２  圧縮機
３  凝縮器
４  減圧・膨張手段としての膨張弁
５  蒸発器
６  内部熱交換器
【図１】
0005180680.tif 000003
【図２】
0005180680.tif 000004
【図３】
0005180680.tif 000005
【図４】
0005180680.tif 000006
【図５】
0005180680.tif 000007
【図６】
0005180680.tif 000008